一种集成包裹转运的电梯轿厢交互式机械臂机器人系统的制作方法

本发明涉及物流转运机器人，具体为一种集成包裹转运的电梯轿厢交互式机械臂机器人系统。

背景技术：

1、在建筑楼宇的物流配送场景中，采用机器人进行跨楼层包裹转运是常见的技术手段；现有的物流机器人多采用底盘整体驶入电梯轿厢的设计，底盘整体驶入轿厢的结构直接挤占轿厢内部的乘员站立空间，引发人机混乘时的物理空间冲突；为应对空间占用问题，部分技术方案采用固定在轿厢内部的机械臂向厅外的储物设备进行跨设备抓取；然而，电梯轿门的启闭时间短且门缝物理宽度处于动态变化状态，机械臂缺乏对轿门运动学参数的动态适应机制；机械臂沿固定设定轨迹穿出门缝时直接与移动中的轿门发生物理碰撞，进而触发门机光幕或安全触板的防夹反转，中断电梯正常运行流程并降低包裹转运效率。

2、此外，在抓取重型包裹的环节中，储物设备上的包裹处于水平静止状态；机械臂末端直接夹持并水平拉动重型包裹需克服初始静摩擦力，直接夹持并水平拉动重型包裹所需的拉力负荷超过机械臂关节电机的额定输出扭矩，直接引发电机过载停机或结构卡死；在包裹完成移入且电梯轿厢启动运行后，轿厢的垂直加减速动作对包裹施加纵向惯性负荷；现有机械臂在电梯运行期间维持刚性姿态保持状态，包裹产生的加减速惯性载荷全量传递至机械臂的各关节，超出内部减速器与轴承的额定承载极限，造成底层机械结构与驱动部件的物理损坏。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种集成包裹转运的电梯轿厢交互式机械臂机器人系统，解决了现有机械臂在电梯门缝中转运包裹发生物理碰撞，以及随电梯加减速运行时包裹惯性导致关节过载的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种集成包裹转运的电梯轿厢交互式机械臂机器人系统，包括：

3、电梯轿厢模块，作为系统的基础运行载体；智能储物架模块，分布式部署于电梯厅外；

4、机器人模块，设置于所述电梯轿厢模块内部；

5、支撑卸荷模块，固定设置于所述电梯轿厢模块的侧壁；

6、边缘感知模块，独立设置于所述机器人模块与所述电梯轿厢模块内部；

7、安全互锁模块，物理串联于所述电梯轿厢模块自带的门机安全回路中；

8、中央控制模块，分别与所述电梯轿厢模块、所述智能储物架模块、所述机器人模块、所述边缘感知模块以及所述安全互锁模块建立通信连接；

9、所述中央控制模块用于基于所述边缘感知模块采集的状态数据，驱动所述机器人模块在所述电梯轿厢模块与所述智能储物架模块之间执行包裹跨设备转运作业；

10、所述中央控制模块用于向所述安全互锁模块发送控制电平，以控制所述电梯轿厢模块内门机安全回路的通断状态；

11、所述中央控制模块用于控制所述机器人模块引导包裹抵靠所述支撑卸荷模块，并通过调整所述机器人模块的控制刚度使所述支撑卸荷模块承受包裹随电梯运行产生的惯性负荷

12、进一步的，所述中央控制模块用于调取所述边缘感知模块内包含的全局视觉单元实时采集的rgb格式图像数据进行归一化预处理，将置信度大于预设概率阈值的特征张量映射为所述电梯轿厢模块内部存在人员占用的载客状态，所述预设概率阈值的取值范围为0.75至0.85；当识别结果为所述电梯轿厢模块内存在乘客时，所述中央控制模块切入乘客辅助控制序列，向所述机器人模块下发回缩指令，控制所述机器人模块的机械臂收回所述电梯轿厢模块顶部的预设安全空间内；通过图像预处理判定轿厢内部状态，在载客时控制机械臂收缩避让，避免与乘客产生空间干涉。

13、进一步的，所述边缘感知模块内包含的测距扫描单元用于以预设扫描频率启动扫描并输出连续的三维点云数据，所述中央控制模块对所述三维点云数据采用体素滤波算法剔除离群噪点后，提取符合电梯轿门立面法向量特征的边缘轮廓坐标动态变化量，拟合得到瞬时开门宽度与瞬时开门速度作为所述门缝运动参数；

14、所述中央控制模块在积分不等式约束方程成立的条件下生成逆运动学切线轨迹，积分不等式约束条件为所述机器人模块伸出轿门的最大横截面宽度与预留安全冗余距离常数的总和，小于等于所述瞬时开门速度在相同时间区间内积分得到的门缝物理宽度；借助点云数据拟合轿门运动参数，通过积分不等式约束限制机械臂的伸展尺寸，使所述机器人模块在轿门未完全开启阶段沿切线穿出，减少转运等待时间。

15、进一步的，所述中央控制模块用于读取所述智能储物架模块内部称重传感器反馈的待转运包裹的重量数值，并与所述机器人模块内置的额定安全抓取载荷阈值进行比对，所述额定安全抓取载荷阈值基于关节电机额定输出扭矩及机械臂自重力臂参数计算得到；当重量数值大于所述额定安全抓取载荷阈值时，所述中央控制模块触发跨设备协同对接序列，向所述智能储物架模块下发倾斜控制指令，驱动包裹承载结构的底板绕固定铰链轴线向所述电梯轿厢模块方向抬升倾斜角度，控制待转运包裹的重心向靠近电梯轿门的方向发生空间位置偏移；在包裹超重时，主动调整储物架底板倾角改变重力分布，降低机械臂夹持包裹所需的初始拉力。

16、进一步的，在包裹滑移过程中，所述中央控制模块内的动力学阻抗控制器用于控制所述机器人模块进入柔顺跟随状态，控制所述机器人模块在滑移方向上输出反向阻尼力；所述反向阻尼力结合所述待转运包裹重力沿底板方向的分力以及底板与所述待转运包裹表面的动摩擦因数计算得到，以控制所述待转运包裹的滑移加速度为期望恒定滑移加速度；基于阻抗控制输出反向阻尼力抵消包裹重力分力，维持恒定的滑移加速度，避免包裹滑移失控。

17、进一步的，所述支撑卸荷模块通过配置的硬质机械包络边缘以及表面固连的橡胶防滑阻尼层，限制待转运包裹在垂直向下方向以及水平法向上的运动自由度；所述中央控制模块用于通过核验所述机器人模块各关节电机的绝对编码器坐标数据，在确认所述机器人模块的物理结构已完全退出所述电梯轿厢模块的外部空间后，向所述安全互锁模块下发闭合驱动电平，使得所述安全互锁模块内部的干接点继电器接收闭合驱动电平后产生吸合动作，将物理串联在所述电梯轿厢模块自带的门机安全回路接通闭合；利用包络边缘与阻尼层约束包裹，并通过坐标核验直接控制门机回路闭合，降低机械臂未完全回缩造成的干涉风险。

18、进一步的，所述边缘感知模块内包含的声学测量单元用于采集环境音频信号并输入数字信号处理器进行快速傅里叶变换，惯性测量单元用于同步监测垂直方向的瞬态加速度变化；当在频域内匹配提取到由电梯抱闸线圈释放产生的声学频谱特征且垂直瞬态加速度超过启动微震动设定阈值时，判定所述电梯轿厢模块处于即将启动的物理状态并作为所述启动事件特征，所述启动微震动设定阈值基于空载静止状态下的背景振动噪声均方根值计算得到；所述中央控制模块用于向所述机器人模块底部的电磁锁止机构发送高电平锁死指令，将所述机器人模块的底盘基座刚性锚固在轨道结构上限制轨道方向的自由度；结合声频与瞬态加速度特征预测电梯启动状态，提前锚固底盘以抵抗启动瞬间产生的剪切力。

19、进一步的，所述中央控制模块用于计算得到待转运包裹与所述机器人模块在随电梯轿厢模块加减速时承受的瞬时总惯性力矢量数据，并将所述机器人模块的底层动力学模型切换为低于初始刚度设定值的阻抗控制模式；所述中央控制模块实时下调所述机器人模块笛卡尔空间控制刚度矩阵的主对角线特征值参数，使所述机器人模块进入柔顺状态，处于柔顺状态的机器人模块使得所述支撑卸荷模块的物理支撑点位承受瞬时总惯性力矢量产生的纵向峰值载荷；在电梯加减速时降低系统刚度，将包裹带来的惯性峰值载荷转移至支撑侧壁，防止机械臂关节刚性受损。

20、进一步的，所述电梯轿厢模块运行到达目的楼层并执行平层停靠动作后，所述中央控制模块用于将垂直方向的加速度矢量数据输入预设的滑动窗口滤波器中提取稳态分量；结合所述稳态分量在设定的平层判定时间窗口内持续维持在零值死区范围内的垂直静止特征，以及所述边缘感知模块反馈的门缝扩张特征进行数据交叉验证，以确认所述电梯轿厢模块处于稳定的平层物理状态；提取加速度稳态分量并结合门缝物理变化进行多源交叉验证，过滤高频振动干扰，准确判定平层状态。

21、进一步的，确认轿门接收到开启信号且产生初始开启位移后，所述中央控制模块用于将机器人模块笛卡尔空间控制刚度矩阵的主对角线特征值参数回调至初始刚度设定值，控制所述机器人模块解除柔顺状态并脱离所述支撑卸荷模块的物理接触面；所述机器人模块末端集成的视觉单元用于对准目的楼层对应的智能储物架模块获取目标放置区域在相机坐标系下的三维坐标矢量，基于手眼标定原理将视觉空间坐标映射至机械臂执行空间，以使所述机器人模块完成包裹放置动作后向云端物流调度服务器发送包含时间戳与目的楼层编号的转运完成状态码；在放置阶段回调刚度参数并利用坐标映射实现定点放置，最后上传状态码以同步转运状态。

22、本发明提供了一种集成包裹转运的电梯轿厢交互式机械臂机器人系统。具备以下有益效果：

23、1、本发明通过边缘感知模块实时采集三维点云与图像数据，拟合门缝运动参数并识别轿厢内部载客状态，在确认无乘客干涉的前提下，依据积分不等式约束生成逆运动学切线轨迹；此设计使机械臂能在动态变化的门缝中完成无物理干涉穿透，缩减转运等待周期，并在载客状态下主动回缩避让，实现人机物理空间的隔离。

24、2、本发明通过将待转运包裹重量与基于关节电机扭矩计算的额定安全抓取载荷阈值进行比对，在超重状态下触发跨设备协同对接，驱动智能储物架底板倾斜以改变包裹重心位置，同时配合动力学阻抗控制器在滑移方向上输出反向阻尼力；机制降低机械臂抓取重型包裹所需的初始拉力，并维持包裹恒定滑移加速度，防止重载包裹在跨设备转运滑移过程中发生失控冲撞。

25、3、本发明通过声学测量与惯性测量单元融合提取电梯启动特征并提前触发底盘锚固，同时在电梯加减速运行阶段，主动下调机械臂控制刚度矩阵的主对角线特征值参数，控制机械臂进入柔顺状态；处于柔顺状态的机械臂使得轿厢侧壁的支撑卸荷模块承受包裹随电梯运动产生的纵向峰值载荷，避免机械臂关节电机因刚性承受加减速惯性负荷而发生过载受损。